Het testen van een batterij cel

In het plaatje hiernaast ziet u een mooie weergave van de opbouw van een batterij cel. Zo ziet u ook duidelijk de anode, de separator en de kathode. Daarnaast het isolatiemateriaal, de behuizing en de positieve en negatieve aansluitpolen.

Welke testen kunnen we uitvoeren op een dergelijke cel?

  • De batterij cel isolatietest
  • Het bepalen van de impedantie van de cel
  • Uiteraard het bepalen van de capaciteit van de cel
  • Het aantal laad-/ontlaadcycli
  • De overbelasting test

 

Laten we beginnen met de cel isolatie test.
Hierbij bepalen we of er geen vervuiling is opgetreden bij de productie van de batterij cel. Gebeurd dit wel dan krijgen we in de cel te maken met lekstromen en in sommige gevallen zelfs doorslag door het isolatiemateriaal heen.

Dit is één van de oorzaken van een mogelijke zelfontbranding van een Li-ion cel. Om dit te voorkomen is het verstandig om elke batterij cel te testen op isolatie, lekstroom, laadstroom en detectie van gedeeltelijke ontlading/flash-over. En dat is heel eenvoudig te doen met bijvoorbeeld de Chroma 11210 batterij cel isolatietester.

Deze test zorgt voor een veiligere batterij en checkt gelijk een aantal parameters die bepalen of de batterij cel goed is geproduceerd.

De batterij cel impedantietest

Inherent aan de opbouw van de batterij cel hebben we te maken met een bepaalde weerstand en parallelle capaciteit van de gebruikte materialen. Uiteraard willen we die weerstand zo klein mogelijk houden in verband met de interne opwarming van de batterij. En bij dynamische belastingen wordt speelt naast de weerstand ook de capaciteit een rol. Zie hieronder een tekening van hoe we een batterij cel elektronisch kunnen weergeven.

De interne weerstand kunnen we vrij simpel bepalen door middel van een stap response meeting in de belasting van de batterij. Deze belasting variatie geeft een initiële spanningsvariatie en als we die spanningsvariatie delen door de stroom hebben we de interne weerstand. De interne weerstand meeting bij batterijen is ook in verschillende standaarden vastgelegd zoals de DIN EN 61951 en de  DIN EN 61960. Bij deze methode wordt gebruik gemaakt van twee verschillende belasting stromen en wordt van daaruit de Ri berekend. Er zijn een aantal fabrikanten van elektronische DC belastingen die dit als standaard meting in de DC load hebben geïntegreerd, waaronder bijvoorbeeld Hoëcherl & Hackl met de H&H PLI-serie.

Bij dynamische belastingen is ook de interne capaciteit van belang. Deze meeting wordt bij een specifieke frequentie uitgevoerd (meestal 1kHz) of wordt uitgevoerd over een breed bereik aan frequenties om zo nog beter het dynamische gedrag van de batterij te bepalen. Bij één enkele batterij cel is de impedantie over het algemeen bijzonder laag en is het van groot belang om hier specifieke instrumentatie voor te gebruiken met meetresultaten in de micro en milli ohms. Voor mogelijke oplossingen zie bijvoorbeeld de Itech IT-5100 serie, de PSM3750 van Newtons 4th met BATT470m optie of de Hioki BT4560.

Voor een uitgebreide presentatie van de batterij impedantie meeting verwijzen wij u graag door naar een presentatie op het Energy Storage Event van 2020.

Het bepalen van de capaciteit van de batterij cel

Het bepalen van de capaciteit van een batterij is eigenlijk afhankelijk van een groot aantal variabelen:

  • Maximale laadspanning
  • Maximale ontlaadspanning
  • Temperatuur van de batterij
  • Gewenste aantal laad-/ontlaadcycli

 

En een aantal van deze variabele zijn contradictionaire waarden.
Je wilt een zo hoog mogelijke laadspanning en een zo laag mogelijk ontlaad spanning om zo een maximale capaciteit van de batterij te krijgen. Alleen gaat dit wel ten koste van de levensduur c.q. het aantal laad-/ontlaadcycli.

We willen natuurlijk een zo lang mogelijke levensduur van de batterij inclusief een maximale capaciteit na meerdere jaren maar om dat te bereiken moeten we starten met een lage laadspanning en moeten we niet al te ver ontladen. Wat uiteraard weer resulteert in minder capaciteit beschikbaar voor de applicatie van de batterij.

Daarnaast is er nog een invloed van het dynamische belasten of ontladen met een constante stroom. En hoe hoog is die stroom dan ten opzichte van de capaciteit. Ontladen we met 10Ah voor één uur of ontladen we met 1Ah voor 10 uur. Helaas is ook dit geen lineaire curve.

En of als dat nog niet genoeg is hebben we ook nog de invloed van de temperatuur. Is het koud dan heeft de batterij minder capaciteit. Is het bij het opladen van de batterij te warm dan heeft dit opnieuw invloed op de levensduur.

U begrijpt het al; voor alle temperatuur omstandigheden zijn er andere parameters mogelijk voor het ideale batterij cel gedrag. Veel van deze parameters worden ook meegenomen in een goed Batterij Management Systeem (BMS) voor de optimale capaciteit / levensduur mix geheel afhankelijk van de applicatie waarvoor de batterij gebruikt gaat worden.

De levensduur / laad- en ontlaadcycli test

Bij deze test gaan we uit van een bepaalde capaciteit van de batterij bij een bepaalde temperatuur, bij een bepaalde laadspanning, bij een bepaald maximale ontlaad spanning en bij een bepaalde ontlaad stroom (niet dynamisch) en dat wordt dan de 100% capaciteit genoemd. Vervolgens ga je deze batterij cel vanaf een bepaald percentage ontladen en opnieuw laden. En als je dat maar vaak genoeg doet krijg je afhankelijk van je cel een vergelijkbare grafiek als hieronder:

Laden met een te hoge spanning

Als laatste willen wij u nog  twee grafieken laten zien ter vergelijk van de laadspanning met de levensduur van de batterij.

Welke apparatuur kunnen we gebruiken voor het testen van de capaciteit van de batterij cel?

Laten we beginnen met een grafische voorstelling van de testopstelling.

Voor het laden gebruiken we een DC voeding met een constante of dynamische laadstroom. De diode is om te voorkomen dat de batterij cel straks ontlaad richting de voeding. Als de batterij is geladen kunnen we gaan ontladen met behulp van de Elektronische belasting. En ook dat kan met een constante ontlaad stroom of dynamische.

De spanning- en stroomwaarden kunnen vaak worden uitgelezen van de voeding of belasting of er wordt gebruik gemaakt van bijvoorbeeld een powermeter voor registratie van de exacte waarde. De powermeter heeft vaak als extra voordeel dat deze ook kan integreren en dus een Wh waarde kan geven. Daarnaast raden we een temperatuurmeter aan om bij het laden en ontladen ook de temperatuur van de cel te monitoren.

Zie ook onze webpagina’s met DC voedingen en DC belastingen.

We zien tegenwoordig ook meer en meer bi-directionele DC voedingen (de dc voeding en dc load in één) op de markt wat uiteraard ideaal is voor het testen van batterijen.

Voor kleinere cellen zijn dat bijvoorbeeld de Itech IT6400 serie tot 150W en 60V of de Rohde&Schwarz NGL200 serie precisie voedingen tot 60W, tot 20V tot 6A.

Voor de batterij cellen (en eventueel kleine modules) met wat meer vermogen hebben we ook Itech M3400 serie. Deze serie bestaat uit meerdere modellen met vermogens van 200 tot 800W, 0-60V of 0-150V en stromen tot 30A.

Het voordeel van deze unit is dat er speciale functies als charge en dischargecurves kunnen worden geprogrammeerd in de unit zelf. Daarnaast is er ook de mogelijkheid om een temperatuur sensor aan te sluiten zodat deze ook mee genomen kan worden in de laad / ontlaad parameters.

Nu gaan we met de batterij cellen voor bussen, vrachtwagens en high performance auto’s ook naar cellen met een veel hogere stroom. Nu nog vaak tot zo’n 1000A maar er zijn al ontwikkelingen tot nog hogere stromen. Hiervoor hebben wij oplossingen van bijvoorbeeld MagnaPower in de TS-serie. In die lijn hebben we DC voedingen van 5V tot 2700A en 10V tot wel 8000A.

Voor single cel batterijen met dergelijk hoge stromen heeft H&H de SCL serie loads ontwikkeld. Deze is er bijvoorbeeld in een versie van 0,6V tot 12V met een maximale stroom van 1200A. Met master/slave schakeling is dit uit te breiden tot 6000A.

Van Itech hebben we uitvoeringen in de IT6000B serie bi-directionele DC voedingen / belastingen van 80V tot ruim 2000A.

Maar wat nu als we meerdere cellen tegelijk willen testen?
Dat kan uiteraard door de test opstellingen te dupliceren maar er zijn ook meerkanaals testopstellingen mogelijk. En dit zijn dan vaak testopstellingen met ook geavanceerde software voor het gestructureerd bij houden van de meetwaarden.

Met de Chroma 17011 serie kan dit tot 16 kanalen per module en 32 tot 64 kanalen per systeem afhankelijk van de maximale stroom. De systemen komen volledig voor gemonteerd en geleverd met de uitgebreide batterij Pro software. (Zie voor uitgebreide informatie van de software Batterij test software.)

Met de eerder genoemde Itech M3400 serie kunnen we dit ook bereiken door meerdere units vanuit de IT5300 software aan te sturen. Ook hier verwijs ik graag naar een andere pagina v.w.b. de software mogelijkheden in ons productenportfolio voor het testen van batterij cel, module en packs.

Gerelateerde onderwerpen

Wat onze klanten zeggen

Arnold Memelink

Arnold Memelink

ABB

"De ABB Power Grids Jumet organisatie is een innovatieve ontwikkelings- en productiefaciliteit van ABB die actieve filters en batterij-energieopslagsystemen produceert ter ondersteuning van een stabiel netwerk. Om deze systemen te testen hebben we twee Cinergia GE/EL +120kVA eplus units aangeschaft die in staat zijn om netemulatie (AC + DC) te doen, die werken als een elektronische belasting (AC +DC) en die een batterij-emulator zijn. We hebben zeer goede ondersteuning van TTMS ervaren bij het verkrijgen van deze twee Cinergia-units. Dit omvatte het organiseren van een demonstratie op locatie en het leveren van leensystemen voorafgaand aan de levering van onze uiteindelijke systemen. Op deze manier konden we zo vroeg mogelijk beginnen met testen. TTMS organiseerde ook trainingen voor de operators van de oorspronkelijke fabrikant. Dankzij deze ondersteuning konden we de eerste batterij-energie-opslagsystemen al voor de volledige levering van de Cinergia-systemen introduceren."

Universiteit van Luxemburg

Sasan Rafii-Tabrizi

Universiteit van Luxemburg

"Bij de afdeling Energie en Milieu van de Faculteit Wetenschappen, Technologie en Geneeskunde (FSTM) van de Universiteit van Luxemburg hebben we verschillende onderzoeksprojecten op het gebied van groene energie die bijdragen aan de ontwikkeling van eco-steden. Als langdurige partner van onze research afdeling heeft TT&MS bewezen zelfs de meest complexe vragen op een professionele manier te kunnen beantwoorden. Ze hebben aangetoond dat ze altijd op de hoogte zijn van de nieuwste technologie en geen enkele moeite sparen om de toepassing en zelfs de situatie ter plaatse te bekijken. De uitwisseling van ideeën was altijd erg prettig en vond snel plaats. We kijken uit naar verdere jaren van vruchtbare samenwerking."

ONZE LEVERANCIERS

© Copyright 2022 - TTMS B.V. | Privacy Policy | Algemene Voorwaarden